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1、3.晶闸管相控AC-AC变频技术如果适当控制正、反两组晶闸管相控整流器的切换频率，则在负载端可以获得交变的输出电压，这就是晶闸管相控AC-AC变频器的实现思想、或者说，晶闸管相控AC-AC变频器，是通过晶闸管对输入电源电压波形的切换来得到所需频率的交流电压输出。由于晶闸管相控AC-AC变频器，具有单级功率变换、变换效率高、四象限运行、低频输出波形接近正弦波、接线复杂、受限于电网频率和变频器的脉波数、输出频率较低、网侧功率因数较低、网测电流谐波含量大、频谱复杂等特点，主要应用于500KW或1000KW以上的大功率、低转速的交流调速系统以及轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合，
2、不但可用於异步电动机的传动，还可用于同步电动机的传动。3.1晶闸管相控单相-单相AC-AC变频器3.1.1电路拓扑两组反并联的可逆整流电路如图3.1所示。其中，通过改变共阴、阳极双半波整流电路晶闸管的控制角，可分别在输出负载得到上正下负、上负下正大小可变的输出电压。正组整流器工作、反正被封锁时，负载端输出电压为上正下负；反组整流器工作、正组被封锁时，负载端输出电压为上负下正。以低于输入电源的频率交替地切换正、反两组整流器的工作状态，在负载端可以获得含有大量谐波的交流输出电压。 图3.1 两组反并联的可逆整流电路3.1.2控制原理如果在半周期中使导通工作的晶闸管的控制角a由90逐渐减小到零，然后
3、再增大到90，则该整流器的输出平均电压就从零增大到最大，然后再减小到零。因此，只要控制a角在090之间以适当地规律性变化，即可获得按正弦规律变化的平均输出电压。在实际的交交变频电路中，常采用“余弦波交截控制法”控制a角的变化以获得平均正弦波的输出。以控制电压Uc来控制a角的变化，如果控制电压Uc的大小总是正比于控制角a的余弦大小，即 （3-1）Ucm为Uc峰值，则输出电压平均值Ud随Uc呈线性变化。由于 （3-2）Udm为a0时Ud最大值，所以 （3-3）故有 （3-4） 在保证线性范围内，Uc最大值为Ucm=Udm，此时 （3-5）因此，按余弦波交截控制法控制的相控整流器，是一个具有线性电压
4、转换特性的功率放大器。可以想象，如果控制电压按正弦波变化，则输出平均电压也将按正弦波变化。3.1.3变频器的工作过程两组相控整流器构成的单相ACAC变频器的原理波形，如图3.2所示图中给出的是超前功率因数的负载情况，理想的输出电压uo、电流io作为晶闸管的控制标准。 图3.2单相ACAC变频器原理波形整个周期可以分为4个阶段：正组整流阶段，uo、io为正且同相，电能由电源传输到负载；反组逆变阶段，电流正半周结束时去除正组触发信号、并经一段大于晶闸管管段时间t0的间歇后给反组加触发信号，负载电流反向、电压方向未变，将负载的能量回馈到电源；反组整流阶段，uo、io为负且同相，能量由电源传输到负载；
5、正组逆变阶段，电流io过零后反组封锁，经过一段大于t0的延时后正组加触发信号，电流反向、电压方向未变，能量由负载回馈到电源。3.1.4晶闸管控制角的调制方法。控制角1和3由0和2期间u0与（22）U2cost的交点决定，而控制角2和4由2和0期间u0与（22）U2cost的交点决定。晶闸管门极触发信号产生的方法如图3.3所示。i0的负半波施加在P信号发生器，当i0为零、且经过一个大于晶闸管的关断时间的延迟时间t0后（确保负组整流器完全关断），才有P信号送至正组整流器的门控电路，输出门极触发信号ig1和ig3.利用正半波可以控制负组整流器的门极控制信号ig2和ig4.图3.3 晶闸管门极触发信号
6、产生方法3.2 晶闸管相控三相-单相交-交变频技术3.2.1、电路构成和基本工作原理如图3.4，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P、N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流io为正，N组工作时，io为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率o。改变变流器工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。在半个周期内让P组 a 角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零
7、增至最高，再减到零，如图中虚线所示。另外半个周期可对N组进行同样的控制。 图3.4 单相交交变频电路原理图和输出电压波形图3.4是变流器P和N都是三相半波相控电路时的波形。Uo并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。因此，变流器通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。3.2.2、整流与逆变工作状态交交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载和交流电动机负载，这里以阻感负载为例来说明电路的整流与逆变工作状态，也适用于交流电动机负载。把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图
8、3.5a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流器可以输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路的电流的单方向性。 图3.5 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态设负载阻抗角为，则输出电流滞后输出电压角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。图3.5给出了一个周期中负载电压、电流波形及正反组变流器的电压电流波形。t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2： uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负。t3 t5期间： io负半周，反组工作，正组被封锁。t3
9、t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负。可以看出在阻感负载下，在一个输出电压周期内交交变频器有4种工作状态。哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。图3.6是单相交交变频电路输出电压和电流的波形图。考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。第1段io0,反组逆变。第2段电流过零，为无环流死区。第3段io0,uo0，为正组整流。第4段，io0,uo0,为正组逆变。第5段又是无环流死区。第6段，io0,uo0,为反组整流。图3.6 单相交交变频电路输
10、出电压和电流波形当uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。3.3.3、正弦波输出电压的调制方法通过不断改变控制角a，使交交变频电路的输出电压波形基波为正弦波的调制方法有多种。这里介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 (3-6) 每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。设要得到的正弦电压为，应使 （3-7）式中称为输出电压比， 因此有 （3-8）这就是余弦交点法基本公式。 图3.7余弦交
11、点法原理图3.7是对余弦交点法的进一步说明。电网线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示。相邻两个线电压的交点对应于a =0。u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示。us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压a =0的时刻对应。以a =0为零时刻，则us1us6为余弦信号。希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定。图3.8给出了在不同输出电压比的情况下，在输出电压的一个周期内，控制角随ot变化的情况，图中 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围 内变化，
12、电路的输入功率因数非常低。余弦交接法用模拟电路来实现线路复杂，且不易实现准确的控制。采用计算机控制时可以方便准确的实现运算，使整个系统获得很好的性能。 图3.8 不同g 时a和wot的关系3.3晶闸管相控三相三相ACAC变频器3.3.1三相单相三相单相方波ACAC变频器电路结果及其原理如图3.9（a）所示，由两组反并联的变流器P和N所组成。当P（正）组和N（反）组轮流向负载供电时，负载上会出现电压uo，如图3.9（b）所示。当P（正）组和N（反）组触发角恒定时，输出电压在半个周期中的平均值是恒定的。改变两组变流器的控制角就能够改变输出电压的幅值。改变两组变流器的切换频率就能改变uo的频率。 （
13、a） （b） 图3.9 三相单相方波ACAC变频器及其原理波形3.3.2 三相三相1.)电压型三相三相ACAC变频器三相三相方波型交-交变频器的主电路如图3.10所示，每一相由两组反并联的三相半波整流电路组成，整流器、为正组，、为反组。每个正组由1、3、5晶闸管组成，每个反组由4、6、2晶闸管组成。变频器中的换流应分成组与组之间换流和组内晶闸管换流两种情况。为了在负载上获得三相互差T/3（T为输出电压周期）的电压波形，每组导电时间应为T/3，并相隔T/6换相。同一时刻应有一个正组和一个反组同时导通，但不允许同一桥臂同时导电，否则将会造成电源短路，每组桥内晶闸管按1、2、3、4、5、6、1顺序换流。各自及组内导电次序如图3.11所示。 图3.10 电压型三相三相方波ACAC变频器图3.11 变频器各组导电次序2.)电流型三相三相ACAC变频器电流型三相三相ACAC变频电路如图3.12所示，主电路中的电流可以看作矩形波，如果不接滤波电感，两组整流器直接反接，就是说通过电源来缓冲负载的无功功率，由于输入电网的内阻抗要比负载阻抗小得多，便构成了电压型电路。 图3.12 电流型三相三相ACAC变频器电路拓扑与控制系统控制角为时晶闸管导通的次序及电源电流、负载电流的波形如图3.13所示. -组晶闸管各导通120度，因此负载电流也是持续1
